轉(zhuǎn)速電流反饋控制直流VM調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計專題

1、轉(zhuǎn)速、電流反饋控制直流V-M調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計專題一、課程設(shè)計目的本次設(shè)計的主要目的就是應(yīng)用自動控制理論和工程設(shè)計的方法對直流調(diào)速系統(tǒng)進行設(shè)計和控制，設(shè)計出能夠達到性能指標要求的電力拖動系統(tǒng)的調(diào)節(jié)器。并應(yīng)用MATLAB軟件對設(shè)計的系統(tǒng)進行仿真和校正以達到滿足控制指標的目的。 2、 設(shè)計任務(wù)與要求2.1性能指標要求（1）基本設(shè)計參數(shù)：采用三相橋式晶閘管整流裝置供電的轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)，基本參數(shù)如下：直流電動機 185W，220V，1.1A，1600r/min，Ra=22.25W，GD2=0.065N·m2，允許過載倍數(shù) l=1.1，晶閘管裝置放大倍數(shù) Ks=40，電樞回路總電阻 R

2、=52.5W，電樞回路總電感 L=811.5mH，最大給定電壓 U*nm=5V 對應(yīng) 1500r/min，最大電流Idm=l IN時，ASR輸出限幅U*im=5V，電流反饋濾波時間常數(shù)Toi=0.002s，轉(zhuǎn)速反饋濾波時間常數(shù)Ton=0.01s，取R0=40kW，（2）穩(wěn)態(tài)指標：轉(zhuǎn)速無靜差（3）動態(tài)指標：電流超調(diào)量s i5%，空載起動到額定轉(zhuǎn)速時的轉(zhuǎn)速超調(diào)量s n10%2.2設(shè)計內(nèi)容（1）按模擬控制方案設(shè)計轉(zhuǎn)速、電流反饋控制直流調(diào)速系統(tǒng)；（2）畫出直流調(diào)速系統(tǒng)電路原理圖、穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖，建立數(shù)學模型，畫出動態(tài)結(jié)構(gòu)圖并給出分析化簡過程； （3）設(shè)計ASR、ACR，給出調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)，計算調(diào)節(jié)器參數(shù)； （

3、4）檢驗近似條件，計算ASR退飽和超調(diào)量； （5）畫出開環(huán)對數(shù)幅頻特性曲線；（6）（選做）利用MATLAB仿真軟件對所設(shè)計的系統(tǒng)進行仿真，并可根據(jù)仿真結(jié)果對設(shè)計參數(shù)進行必要的修正和調(diào)整。（7）（選做）將設(shè)計的模擬電流調(diào)節(jié)器和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器進行數(shù)字化，電流環(huán)采樣周期Tisam=0.5ms，轉(zhuǎn)速環(huán)采樣周期Tnsam=0.005s，寫出其數(shù)字PI調(diào)節(jié)器的表達式（位置式、增量式均可），調(diào)節(jié)器輸出限幅及積分限幅均為±Um，并用已掌握的計算機語言設(shè)計實時控制程序。3、 電路原理分析及電路設(shè)計3.1基本設(shè)計思路 為了使轉(zhuǎn)速和電流兩種負反饋分別起作用，可在系統(tǒng)中設(shè)置兩個調(diào)節(jié)器，分別引入轉(zhuǎn)速負反饋和電流負

4、反饋以調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流，兩者之間實行嵌套連接其原理圖如圖一所示。 圖一：轉(zhuǎn)速、電流反饋控制直流調(diào)速系統(tǒng)原理圖雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖如圖二所示，兩個調(diào)節(jié)器均采用帶限幅作用的PI調(diào)節(jié)器。轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR的輸出限幅電壓U*決定了電流給定的最大值，電流調(diào)節(jié)器ACR的輸出限幅電壓限制了電力電子變換器的最大輸出電壓，圖二中用帶限幅的輸出特性表示PI調(diào)節(jié)器的作用。當輸調(diào)節(jié)器達到飽和時，輸出達到限幅值，輸入量的變化不在影響輸出，除非有反向的輸入信號是調(diào)節(jié)器退飽和。換句話說，飽和調(diào)節(jié)器暫時割斷了輸入和輸出之間的聯(lián)系，相當于使該調(diào)節(jié)環(huán)開環(huán)。當調(diào)節(jié)器不飽和時，PI調(diào)節(jié)器工作在線性調(diào)節(jié)狀態(tài)，其作用是使輸入偏差電

5、壓在穩(wěn)態(tài)時為零。圖二：雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖轉(zhuǎn)速，電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)屬于多環(huán)控制系統(tǒng)。對電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)而言，先從內(nèi)環(huán)（即電流環(huán)）出發(fā)，根據(jù)電流控制要求，確定把電流環(huán)校正為那種典型系統(tǒng)。按照調(diào)節(jié)對象選擇調(diào)節(jié)器及其參數(shù)。設(shè)計完電流環(huán)環(huán)節(jié)之后，把它等效成一個小慣性環(huán)節(jié)，作為轉(zhuǎn)速環(huán)的一個組成部分。然后用同樣的方法進行轉(zhuǎn)速環(huán)的設(shè)計，每個環(huán)的設(shè)計都是把該環(huán)校正為一個典型系統(tǒng)，以獲得預(yù)期的性能指標。目前的V-M調(diào)速系統(tǒng)多為帶電流內(nèi)環(huán)的速度控制系統(tǒng)。雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖如圖三所示： 圖三： 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)動態(tài)結(jié)構(gòu)圖 3.2確定轉(zhuǎn)速、電流反饋系數(shù)（1）電勢常數(shù)Ce=V（2）三相橋式晶閘管整

6、流裝置的滯后時間Ts （3）電流反饋系數(shù)（4）設(shè)最大允許電流，則電流反饋系數(shù)為（5）轉(zhuǎn)速反饋系數(shù) 3.3 電流環(huán)ACR的設(shè)計（1）電流環(huán)小時間常數(shù) s（2）電磁時間常數(shù) s（3）電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)的選擇 根據(jù)設(shè)計要求，且 因此可按典I系統(tǒng)設(shè)計，且選用PI調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為（4）確定電流調(diào)節(jié)器參數(shù) ACR超前時間常數(shù)：電流環(huán)開環(huán)放大系數(shù)：要求時，應(yīng)按二階“最佳”系統(tǒng)設(shè)計從而，ACR的比例系數(shù)為（5）校驗近似條件電流環(huán)截止頻率：晶閘管裝置傳遞函數(shù)近似條件 滿足近似條件。小時間常數(shù)近似條件 < 滿足近似條件。忽略反電勢對電流環(huán)影響的條件 31TmTl=3×10.085×0.0

7、156=82.38s-1<wci（6）（7） 計算調(diào)節(jié)器的電阻和電容 電流調(diào)節(jié)器原理圖如圖四所示,各電阻電容參數(shù)計算如下：Rn=KiR0=0.67×40k=26.8k Cn=iRi=0.015640000=0.39F Coi=4ToiR0=4×0.00240×103=0.2F 8 圖四：含給定濾波和反饋濾波的PI型電流調(diào)節(jié)器3.4 轉(zhuǎn)速環(huán)的設(shè)計（1）轉(zhuǎn)速環(huán)小時間常數(shù) （2）選擇轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)根據(jù)穩(wěn)態(tài)、動態(tài)性能指標的要求，應(yīng)按典I系統(tǒng)設(shè)計轉(zhuǎn)速環(huán)，為此應(yīng)選用PI調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為 （3）選擇轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器參數(shù) 為了使轉(zhuǎn)速環(huán)的跟隨性能和抗擾性能都較好，應(yīng)采用準則選擇

8、參數(shù)，且取h=5，因此ASR的超前時間常數(shù)為 Kn=（h+1）CeTm2hRT=6×4.13×0.122×0.182×5×0.0033×52.5×0.017418 KN=h+12h2T2396.4（4）校驗近似條件 轉(zhuǎn)速環(huán)截止頻率Wcn=KNw1=KNn=396.4×0.08734.5S-1電流環(huán)傳遞函數(shù)簡化條件 而 1Ti=15×0.0037=54s-1>wcn滿足近似條件。小時間常數(shù)近似處理條件1312TiTon=13×12×0.0037×0.002=86.64s-

9、1>wcn滿足近似條件。（5）WASR=18+11.5S（6）計算調(diào)節(jié)器電阻和電容轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器原理圖如圖五所示Rn=KnR0=18×40k=720KCn=nRn=0.087720×103=0.12FCon=4TonR0=4×0.0140×103=1F 圖五：含給定濾波與反饋濾波的PI型轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器（7）校核轉(zhuǎn)速超調(diào)量 因為當h=5時 n=37.6%不能滿足設(shè)計要求。實際上，由于此時是按線性系統(tǒng)計算的，而突加階躍給定時，ASR飽和，不符合線性系統(tǒng)的前提，應(yīng)該按ASR退飽和時的情況重新計算超調(diào)量。 nN=RCeIN=473.36r/min 所以n=2(Cm

10、axCb)(-z)nNn*TnTm =2×81.2%×1.1×473.361600×0.01740.0855.1%<10%可見，所設(shè)計的系統(tǒng)能滿足設(shè)計要求。3.5轉(zhuǎn)速電流檢測電路的設(shè)計轉(zhuǎn)速、電流負反饋雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)，其原理就是再開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的基礎(chǔ)上增加轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器通過當前的轉(zhuǎn)速反饋和電流反饋以改善系統(tǒng)的動態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)性能，因此反饋信號的準確度很大程度上決定了系統(tǒng)的性能指標。通過康銅絲采樣，再將采樣電壓通過電流檢測芯片，通過比例調(diào)節(jié)器較準。電流檢測芯片采用TI公司的INA282，INA282系列是電壓輸出電流并聯(lián)監(jiān)控器，此監(jiān)控器能夠感測

11、共模電壓上-14V至+80V與電源電壓無關(guān)。零漂移架構(gòu)的低偏移使得電流感測在整個分流器上的最大壓降低至10mV的量程。這個電流分流監(jiān)控器由+2.7V至+18V電源供電，使用最大900A的電源電流。此芯片通過在+IN和-IN之間接入一個采樣電阻（電阻值很小約0.01為宜）當有電阻上有電流流過時采樣電阻上將會產(chǎn)生壓降，通過+IN與-IN口進入，再由芯片內(nèi)部的差分放大，抑制共模信號放大差模信號，由OUT口輸出，通過REF1,REF2引腳控制輸出模式。具體電路如圖二所示：圖六： 電流檢測電路當采樣電阻為測試報告如表一所示表一 電流檢測報告輸入電流（A）輸出電壓（V）較準電壓(V)00.080.08-0

12、.1=00.50.180.18-0.1=0.110.290.29-0.1=0.220.490.49-0.1=0.451.11.1-0.1=1102.12.1-1=2 由表一可知：電流檢測芯片檢測電流，輸出電壓為當電流為13.16A時，則比例調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)為因此可調(diào)電位器取值應(yīng)為36.6K為宜。3.6 轉(zhuǎn)速檢測電路的設(shè)計采用光電編碼器對速度進行檢測，通過51單片機采集光電編碼器產(chǎn)生的脈沖信號，并進行處理，同時通過數(shù)碼管將轉(zhuǎn)速顯示出來，同時通過DA數(shù)模轉(zhuǎn)換器將速度信號轉(zhuǎn)換成模擬信號輸送至ASR調(diào)節(jié)器，測速比較準確。（1）光電編碼器選擇光電編碼器采用ZKT6012空心旋轉(zhuǎn)編碼器K6012光電編碼器

13、，1024碼盤，每轉(zhuǎn)產(chǎn)生1200個脈沖，工作電壓為直流DC5-12V。（2）單片機選擇 單片機采用STC89C52，該單片機是STC公司生產(chǎn)的一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有 8K 在系統(tǒng)可編程Flash存儲器。STC89C52使用經(jīng)典的MCS-51內(nèi)核，但做了很多的改進使得芯片具有傳統(tǒng)51單片機不具備的功能。在單芯片上，擁有靈巧的8 位CPU 和在系統(tǒng)可編程Flash，使得STC89C52為眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高靈活、超有效的解決方案。（3）DA數(shù)模轉(zhuǎn)換器選擇數(shù)模轉(zhuǎn)換器采用PCF8591，它是單片、單電源低功耗8位CMOS數(shù)據(jù)采集器件，具有4個模擬輸入、一個輸出和一個串行I

14、2C總線接口。3個地址引腳A0、A1和A2用于編程硬件地址，允許將最多8個器件連接至I2C總線而不需要額外硬件。器件的地址、控制和數(shù)據(jù)通過兩線雙向I2C總線傳輸。器件功能包括多路復(fù)用模擬輸入、片上跟蹤和保持功能、8位模數(shù)轉(zhuǎn)換和8位數(shù)模擬轉(zhuǎn)換。最大轉(zhuǎn)換速率取決于I2C總線的最高速率。（4）運算放大器的選擇 運算放大器采用TI公司的LM358，LM358 內(nèi)部包括有兩個獨立的、高增益、內(nèi)部頻率補償?shù)碾p運算放大器，適合于電源電壓范圍很寬的單電源使用，也適用于雙電源工作模式，在推薦的工作條件下，電源電流與電源電壓無關(guān)。它的使用范圍包括傳感放大器、直流增益模塊和其他所有可用單電源供電的使用運算放大器的場

15、合。4、 實驗數(shù)據(jù)分析計算由實驗所得開環(huán)對數(shù)幅頻特性曲線如圖七 L/dB -40dB/dec -20dB/dec -20dB/dec O w/s-1 -40dB/dec -40dB/dec I n 圖七：雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)內(nèi)環(huán)和外環(huán)的開環(huán)對數(shù)幅頻特性 五、心得體會這次的課程設(shè)計運用的基本上都是在電力電子技術(shù)和電力拖動與運動控制系統(tǒng)這兩門課程中所學過的基本知識點。這次的設(shè)計，其中最重要的一部分是參數(shù)的計算比較繁鎖。做事情要有耐心，這是我在這次設(shè)計中所學習到的重要的一點。這次課程設(shè)計我收獲很大。通過這次設(shè)計，加深了我對電流，轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)系統(tǒng)這個典型的系統(tǒng)的認識。復(fù)習了以前學習過的基本知識，加深了印象。這對我們以后工作中會很有幫助的。在設(shè)計過程中，與同學分工設(shè)計，和同學們相互探討，相互學習，相互監(jiān)督。學會了合作。同時，這次設(shè)計過程中，體現(xiàn)出自己綜合運用知識的能力，體會了學以致用、突出自己勞動成果的喜悅心情，從中發(fā)現(xiàn)自己平時